JP2005309999A - Device and method for evaluating swirling flow - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device for evaluating swirling flows capable of precisely determining a swirling flow by use of velocity vectors at each node (coordinate point) even if there exist other flows or a plurality of swirling flows. <P>SOLUTION: The device for evaluating swirling flows is used that comprises a characteristic equation calculating part 3 and a swirling axis calculating part 4. Based on data about the velocities of fluid at coordinate points, the characteristic equation calculating part 3 calculates a characteristic value from a characteristic equation about the coordinate points and the velocity data. When the characteristic value is a complex number, the swirling axis calculating part 4 assumes the imaginary part of the complex number as a swirling function, calculates a coordinate point that provides the maximum value of the swirling function, and sets the coordinate point that provides the maximum value as the position of the swirling axis of the swirling flow in the fluid. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、旋回流評価装置及び旋回流の評価方法に関し、特に、流体の流れにおける旋回流を評価する旋回流評価装置及び旋回流の評価方法に関する。   The present invention relates to a swirl flow evaluation device and a swirl flow evaluation method, and more particularly to a swirl flow evaluation device and a swirl flow evaluation method for evaluating swirl flow in a fluid flow.

流体の流れの種類として、旋回流が知られている。図1は、旋回流のみの状態にある流体の流れの一例を示す図である。この図は、旋回流の旋回平面(当該旋回流の旋回軸に垂直な平面)の一つにおける、複数の節点(座標点)の各々での速度ベクトルを示している。速度ベクトルの向きを矢印の向きで、速度ベクトルの大きさを矢印の長さでそれぞれ表している。図のように、旋回流では、旋回軸P0を中心として、流体がその周囲を回転している。   A swirling flow is known as a type of fluid flow. FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a fluid flow in a state of only a swirl flow. This figure shows velocity vectors at each of a plurality of nodes (coordinate points) in one of the swirling planes of the swirling flow (planes perpendicular to the swirling axis of the swirling flow). The direction of the velocity vector is indicated by the direction of the arrow, and the magnitude of the velocity vector is indicated by the length of the arrow. As shown in the figure, in the swirl flow, the fluid rotates around the swivel axis P0.

図2は、旋回流と一様流れとが合わさった状態にある流体の流れの一例を示す図である。この図は、図1の旋回流に、図における左から右への横方向の一様流れが加わっている場合における、複数の節点(座標点)の各々での速度ベクトルを示している。このように、旋回流の他に一様流れがあると旋回流の存在が視覚的にわからなくなる。   FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a fluid flow in a state where the swirl flow and the uniform flow are combined. This figure shows velocity vectors at each of a plurality of nodes (coordinate points) when a uniform horizontal flow from left to right in the figure is added to the swirling flow of FIG. Thus, if there is a uniform flow in addition to the swirling flow, the existence of the swirling flow cannot be visually recognized.

各節点(座標点)における速度ベクトルを用いて、旋回流を的確に同定可能な技術が望まれている。他の流れが存在する場合でも、旋回流を的確に同定可能な技術が望まれている。他の流れや複数の旋回流が存在する場合でも、それらの旋回流を的確に同定可能な技術が求められる。   A technique capable of accurately identifying a swirling flow using a velocity vector at each node (coordinate point) is desired. There is a demand for a technique that can accurately identify a swirling flow even when other flows exist. Even when other flows and a plurality of swirling flows exist, a technique capable of accurately identifying these swirling flows is required.

関連する技術として、D. Sujudi, R. Haimes, “Identification of swirling flow in 3−D vector fields”,12th AIAA Comput Fluid Dyn Conf 1995 Part2,(1995), p.792−799(非特許文献1)に旋回流の評価方法が開示されている。この方法は、まず、速度勾配テンソルの固有値を計算する。次に、その固有値が複素数であれば、旋回平面上におけるその点の周りで速度が0の座標点を探す。そして、その速度が0の座標点を、旋回軸の位置とする。ただし、この方法では、一様流れが存在する場合、旋回軸を求めることは困難である。   As a related technique, D.C. Sujudi, R.A. Haimes, “Identification of Swirling Flow in 3-D Vector Fields”, 12th AIAA Compute Fluid Dyn Conf 1995 Part 2, (1995), p. 792-799 (Non-Patent Document 1) discloses a method for evaluating swirling flow. This method first calculates the eigenvalue of the velocity gradient tensor. Next, if the eigenvalue is a complex number, a coordinate point having a velocity of 0 around the point on the turning plane is searched. Then, the coordinate point whose speed is 0 is set as the position of the turning axis. However, in this method, when a uniform flow exists, it is difficult to obtain the turning axis.

関連する技術として、R. C. Strawn, D. N. Kenwright, J. Ahmad, “Computer Visualization of Vortex Wake System”, AIAA (1999), vol. 7(No. 4), p.511−512 (非特許文献2)に他の旋回流の評価方法が開示されている。この方法は、渦度ωを算出する。そして、渦度ωの極大を表す座標点を旋回軸の位置とする。ただし、渦度ωは、旋回流に限らず任意の流れのパターンにおける角速度(の2倍)を表す。そのため、渦度ωを有する流れが旋回流を示すとは限らない。すなわち、渦度ωを有することは、旋回流れとしての十分条件ではない。   As a related technique, R.K. C. Strawn, D.W. N. Kenwright, J.M. Ahmad, “Computer Visualization of Vortex Wake System”, AIAA (1999), vol. 7 (No. 4), p. 511-512 (Non-Patent Document 2) discloses another swirling flow evaluation method. This method calculates the vorticity ω. A coordinate point representing the maximum of the vorticity ω is set as the position of the turning axis. However, the vorticity ω represents an angular velocity (twice) in an arbitrary flow pattern, not limited to a swirling flow. Therefore, a flow having a vorticity ω does not always indicate a swirling flow. That is, having the vorticity ω is not a sufficient condition as a swirling flow.

関連する技術として、S. Kida, H. Miura, “Identification and analysis of vortical structure”, E. J. Mech. B/Fluids, (1998), vol. 17(No. 4), p471−488(非特許文献3)に更に他の旋回流の評価方法が開示されている。この方法は、圧力ヘシアン及び過度・速度勾配テンソルの流れから旋回軸を求める。ただし、速度データだけでなく圧力データが必要であり、かつ計算が複雑である。実験データから解析を行う場合、解析に必要かつ十分な座標点数の圧力データを取得することは困難である。   As a related technique, S.M. Kida, H.M. Miura, “Identification and analysis of vital structure”, E.M. J. et al. Mech. B / Fluids, (1998), vol. 17 (No. 4), p471-488 (Non-patent Document 3) discloses still another swirling flow evaluation method. This method determines the pivot axis from the flow of pressure hessian and transient / velocity gradient tensor. However, not only speed data but also pressure data is required, and the calculation is complicated. When analyzing from experimental data, it is difficult to obtain pressure data having a sufficient number of coordinate points necessary for the analysis.

D. Sujudi, R. Haimes, “Identification of swirling flow in 3−D vector fields”,12th AIAA Comput Fluid Dyn Conf 1995 Part2,(1995), p.792−799D. Sujudi, R.A. Haimes, “Identification of Swirling Flow in 3-D Vector Fields”, 12th AIAA Compute Fluid Dyn Conf 1995 Part 2, (1995), p. 792-799 R. C. Strawn, D. N. Kenwright, J. Ahmad, “Computer Visualization of Vortex Wake System”, AIAA (1999), vol. 7(No. 4), p.511−512R. C. Strawn, D.W. N. Kenwright, J.M. Ahmad, “Computer Visualization of Vortex Wake System”, AIAA (1999), vol. 7 (No. 4), p. 511-512 S. Kida, H. Miura, “Identification and analysis of vortical structure”, E. J. Mech. B/Fluids, (1998), vol. 17(No. 4), p471−488S. Kida, H.M. Miura, “Identification and analysis of vital structure”, E.M. J. et al. Mech. B / Fluids, (1998), vol. 17 (No. 4), p471-488

従って、本発明の目的は、各節点(座標点)における速度ベクトルを用いて、旋回流を的確に同定可能な旋回流評価装置及び旋回流の評価方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a swirl flow evaluation device and a swirl flow evaluation method capable of accurately identifying a swirl flow using velocity vectors at each node (coordinate points).

また、本発明の他の目的は、他の流れや複数の旋回流が存在する場合でも、旋回流を的確に同定可能な旋回流評価装置及び旋回流の評価方法を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a swirl flow evaluation device and a swirl flow evaluation method capable of accurately identifying a swirl flow even when other flows or a plurality of swirl flows exist.

本発明の更に他の目的は、旋回流の存在の有無を的確に判定可能な旋回流評価装置及び旋回流の評価方法を提供することにある。   Still another object of the present invention is to provide a swirl flow evaluation device and a swirl flow evaluation method capable of accurately determining the presence or absence of a swirl flow.

本発明の別の目的は、旋回軸(渦軸)を有している旋回流とそうでない旋回流とを区別することが可能な旋回流評価装置及び旋回流の評価方法を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a swirl flow evaluation device and a swirl flow evaluation method capable of distinguishing a swirl flow having a swirl axis (vortex axis) from a swirl flow not having the swirl axis. .

以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。   Hereinafter, means for solving the problem will be described using the numbers and symbols used in the best mode for carrying out the invention. These numbers and symbols are added in parentheses in order to clarify the correspondence between the description of the claims and the best mode for carrying out the invention. However, these numbers and symbols should not be used for interpreting the technical scope of the invention described in the claims.

従って、上記課題を解決するために、本発明の旋回流評価装置は、固有方程式計算部(3)と、旋回軸算出部(4)とを具備する。固有方程式計算部(3)は、座標点(x)における流体の速度データ(v)に基づいて、座標点(x)と速度データ(v)とに関する固有方程式から固有値(λ)を計算する。旋回軸算出部(4)は、固有値(λ)が複素数(λR±iφ)である場合、複素数(λR±iφ)の虚数部(φ)を旋回関数(φ)として、旋回関数(φ)における極大値を与える座標点(x0)を算出し、極大値(φ0)を与える座標点(x0)をその流体における旋回流の旋回軸(P)の位置とする。
ここでは、座標点(x)における速度データ(v)に基づいて、評価対象座標点(x)の速度にて移動する移動座標系において速度のテイラー展開を行い、2次以降の高次項を無視することにより得られる速度勾配テンソルを求め、その固有方程式を用いている
Therefore, in order to solve the above-mentioned problem, the swirling flow evaluation device of the present invention includes an eigen equation calculation unit (3) and a swirl axis calculation unit (4). The eigen equation calculation unit (3) calculates an eigen value (λ) from an eigen equation relating to the coordinate point (x) and the velocity data (v) based on the fluid velocity data (v) at the coordinate point (x). When the eigenvalue (λ) is a complex number (λR ± iφ), the turning axis calculation unit (4) uses the imaginary part (φ) of the complex number (λR ± iφ) as the turning function (φ), and the turning function (φ) The coordinate point (x0) that gives the maximum value is calculated, and the coordinate point (x0) that gives the maximum value (φ0) is taken as the position of the swirling axis (P) of the swirling flow in the fluid.
Here, based on the velocity data (v) at the coordinate point (x), Taylor expansion of the velocity is performed in the moving coordinate system moving at the velocity of the evaluation target coordinate point (x), and the second and subsequent higher-order terms are ignored. The velocity gradient tensor obtained by doing

上記の旋回流評価装置は、旋回軸算出部(4)が、旋回関数(φ)における極大値(φ0)を算出し、極大値(φ0)を旋回軸(P)での角速度とする。   In the above-described swirl flow evaluation device, the swivel axis calculation unit (4) calculates the maximum value (φ0) in the swivel function (φ), and sets the maximum value (φ0) as the angular velocity on the swivel axis (P).

上記の旋回流評価装置は、その固有方程式から計算される固有ベクトル(ξ)と旋回関数(φ)とに基づいて、その旋回流を示す旋回線(S)を計算する旋回線計算部(6)と、旋回線(S)を表示する表示部(7)とを更に具備する。   The above-described swirl flow evaluation device is a swirl line calculation unit (6) for calculating a swirl line (S) indicating the swirl flow based on the eigenvector (ξ) and swirl function (φ) calculated from the eigen equation. And a display unit (7) for displaying the turning line (S).

上記の旋回流評価装置は、旋回軸算出部(4)が、更に、固有値(λ)が複素数(λR±iφ)で無い場合、その流体には旋回流が無いと判定する。   In the swirl flow evaluation device, the swirl axis calculation unit (4) further determines that there is no swirl flow when the eigenvalue (λ) is not a complex number (λR ± iφ).

上記の旋回流評価装置は、旋回軸算出部(4)は、更に、所定の条件を満たす極大値(φ0)が無い場合、明確な旋回軸(P)が無いと判定する。
明確な旋回軸が無いとは、旋回流の中心が軸ではなく、有限な領域の周りを旋回しているものである。
In the swirl flow evaluation device, the swirl axis calculation unit (4) further determines that there is no clear swirl axis (P) when there is no maximum value (φ0) that satisfies the predetermined condition.
The absence of a clear swivel axis means that the center of the swirl flow is swirling around a finite region rather than an axis.

上記課題を解決するために、本発明の流体シミュレーション装置は、流体に関するデータの入力に基づいて、流体内の位置を示す複数の座標点の各々における速度データを算出する解析装置(2)と、上記各段落のいずれか一項に記載の旋回流評価装置(1)とを具備する。   In order to solve the above problem, a fluid simulation apparatus of the present invention includes an analysis device (2) that calculates velocity data at each of a plurality of coordinate points indicating positions in a fluid based on input of data related to the fluid; The swirl flow evaluation device (1) according to any one of the above paragraphs.

上記課題を解決するために、本発明の旋回流の評価方法は、固有方程式計算部(3)と旋回軸算出部(4)とを備える旋回流評価装置(1)で実行する。(a)固有方程式計算部(3)が、通信回線又は記憶装置から出力された座標点(x)における流体の速度データ(v)に基づいて、座標点(x)と速度データ(v)とに関する固有方程式から固有値(λ)を計算するステップと、(b)旋回軸算出部(4)が、固有値(λ)が複素数(λR±iφ)である場合、複素数(λR±iφ)の虚数部(φ)を旋回関数(φ)として、旋回関数(φ)における極大値(φ0)を与える座標点(x0)を計算し、極大値(φ0)を与える座標点(x0)をその流体における旋回流の旋回軸(S)の位置とするステップとを具備する。   In order to solve the above problems, the swirling flow evaluation method of the present invention is executed by a swirling flow evaluation device (1) including an eigen equation calculation unit (3) and a swirling axis calculation unit (4). (A) Based on the fluid velocity data (v) at the coordinate point (x) output from the communication line or the storage device, the eigen equation calculation unit (3) uses the coordinate point (x) and velocity data (v) A step of calculating an eigenvalue (λ) from an eigen equation relating to (b), and (b) when the swing axis calculation unit (4) is a complex number (λR ± iφ), the imaginary part of the complex number (λR ± iφ) Using (φ) as a turning function (φ), a coordinate point (x0) giving a maximum value (φ0) in the turning function (φ) is calculated, and a coordinate point (x0) giving a maximum value (φ0) is turned in the fluid. And a step of setting the position of the swirl axis (S) of the flow.

上記の旋回流の評価方法において、(c)旋回軸算出部(4)が、旋回関数(φ)における極大値(φ0)を計算し、極大値(φ0)を旋回軸(P)での角速度とするステップを更に具備する。   In the above swirl flow evaluation method, (c) the swivel axis calculation unit (4) calculates the maximum value (φ0) in the swivel function (φ), and the maximum value (φ0) is the angular velocity on the swivel axis (P). The following step is further included.

上記の旋回流の評価方法において、(d)その固有方程式から計算される固有ベクトル(ξ)と旋回関数(φ)とに基づいて、その旋回流を示す旋回線(S)を計算するステップと、(e)旋回線(S)を表示するステップとを更に具備する。   In the above swirl flow evaluation method, (d) calculating a swirl line (S) indicating the swirl flow based on the eigenvector (ξ) and swirl function (φ) calculated from the eigen equation; And (e) displaying a turning line (S).

上記課題を解決するために、本発明のコンピュータプログラムは、固有方程式計算部(3)と旋回軸算出部(4)とを備える旋回流評価装置(1)に実行させる。(a)固有方程式計算部(3)が、通信回線又は記憶装置から出力された座標点(x)における流体の速度データ(v)に基づいて、座標点(x)と速度データ(v)とに関する固有方程式から固有値(λ)を計算するステップと、(b)旋回軸算出部(4)が、固有値(λ)が複素数(λR±iφ)である場合、複素数(λR±iφ)の虚数部(φ)を旋回関数(φ)として、旋回関数(φ)における極大値(φ0)を与える座標点(x0)を計算し、極大値(φ0)を与える座標点(x0)をその流体における旋回流の旋回軸(P)の位置とするステップとを具備する旋回流の評価方法を旋回流評価装置(1)に実行させる。   In order to solve the above problems, the computer program of the present invention is caused to be executed by a swirling flow evaluation device (1) including an eigen equation calculation unit (3) and a swirl axis calculation unit (4). (A) Based on the fluid velocity data (v) at the coordinate point (x) output from the communication line or the storage device, the eigen equation calculation unit (3) uses the coordinate point (x) and velocity data (v) A step of calculating an eigenvalue (λ) from an eigen equation relating to (b), and (b) when the swing axis calculation unit (4) is a complex number (λR ± iφ), the imaginary part of the complex number (λR ± iφ) Using (φ) as a turning function (φ), a coordinate point (x0) giving a maximum value (φ0) in the turning function (φ) is calculated, and a coordinate point (x0) giving a maximum value (φ0) is turned in the fluid. The swirl flow evaluation device (1) is caused to execute a swirl flow evaluation method including a step of setting the position of the swirl axis (P) of the flow.

上記のコンピュータプログラムにおいて、座標点(x)は複数の座標点(x)である。(a)ステップは、(a1)複数の座標点(x)の各々について、固有方程式計算部(3)が、座標点(x)と速度データ(v)に基づいて、座標点(x)と速度データ(v)とに関する固有方程式から固有値(λ)を計算するステップを備える。(b)ステップは、(b1)複数の座標点(x)の各々について、固有値(λ)が複素数(λR±iφ)である場合、旋回軸算出部(4)が、複素数(λR±iφ)の虚数部(φ)を旋回関数(φ)として、旋回関数(φ)における極大値(φ0)を与える座標点(x0)を計算するステップと、(b2)極大値(φ0)を与える座標点(x0)が複数ある場合、極大値(φ0)を与える複数の座標点(x0)の各々をその流体における旋回流の旋回軸(P)の位置とするステップとを備える。   In the above computer program, the coordinate point (x) is a plurality of coordinate points (x). (A) Step: (a1) For each of a plurality of coordinate points (x), the eigen equation calculation unit (3) determines the coordinate point (x) and the velocity data (v) based on the coordinate point (x) and the velocity data (v). Calculating the eigenvalue (λ) from the eigenequation for the velocity data (v). (B) In step (b1), when the eigenvalue (λ) is a complex number (λR ± iφ) for each of the plurality of coordinate points (x), the turning axis calculation unit (4) determines that the complex number (λR ± iφ) A step of calculating a coordinate point (x0) that gives the maximum value (φ0) in the turning function (φ), with the imaginary part (φ) as a turning function (φ), and (b2) a coordinate point that gives the maximum value (φ0) When there are a plurality of (x0), each of the plurality of coordinate points (x0) giving the maximum value (φ0) is set to the position of the swirling axis (P) of the swirling flow in the fluid.

上記のコンピュータプログラムにおいて、(c)旋回軸算出部(4)が、旋回関数(φ)における極大値(φ0)を計算し、極大値(φ0)を旋回軸(p)での角速度とするステップを更に具備する。   In the above computer program, (c) the turning axis calculation unit (4) calculates a maximum value (φ0) in the turning function (φ), and sets the maximum value (φ0) as an angular velocity on the turning axis (p). Is further provided.

上記のコンピュータプログラムにおいて、(d)その固有方程式から計算される固有ベクトル(ξ)と旋回関数(φ)とに基づいて、その旋回流を示す旋回線(S)を計算するステップと、(e)旋回線(S)を表示するステップとを更に具備する。   In the above computer program, (d) calculating a swirling line (S) indicating the swirling flow based on the eigenvector (ξ) and swirling function (φ) calculated from the eigen equation; (e) And a step of displaying a turning line (S).

上記のコンピュータプログラムにおいて、(b)ステップは、(b3)旋回軸算出部(4)が、固有値(λ)が複素数(λR±iφ)で無い場合、その流体には旋回流が無いと判定するステップを備える。   In the above computer program, in step (b), (b3) the swing axis calculation unit (4) determines that the fluid has no swirl flow when the eigenvalue (λ) is not a complex number (λR ± iφ). Comprising steps.

上記のコンピュータプログラムにおいて、(b)ステップは、(b4)旋回軸算出部(4)が、所定の条件を満たす極大値(φ0)が無い場合、その流体には明確な旋回軸(P)が無いと判定するステップを備える。   In the above computer program, (b) step includes (b4) when the swing axis calculation unit (4) does not have a maximum value (φ0) that satisfies a predetermined condition, the fluid has a clear swing axis (P). A step of determining that there is not.

上記課題を解決するために、本発明のコンピュータプログラムは、解析装置(2)と旋回流評価装置(1)とを備えるシミュレーション装置に実行させるコンピュータプログラムである。(f)解析装置(2)が、流体に関するデータの入力に基づいて、流体内の位置を示す座標点(x)における速度データ(v)を算出するステップと、(g)旋回流評価装置(1)が、上記段落のいずれか一項に記載のコンピュータプログラムを実行するステップとを具備する流体シミュレーション方法をシミュレーション装置に実行させる。   In order to solve the above-described problems, the computer program of the present invention is a computer program that is executed by a simulation apparatus including an analysis device (2) and a swirl flow evaluation device (1). (F) The analysis device (2) calculates the velocity data (v) at the coordinate point (x) indicating the position in the fluid based on the input of the data related to the fluid, and (g) the swirl flow evaluation device ( 1) causes a simulation apparatus to execute a fluid simulation method including the step of executing the computer program according to any one of the above paragraphs.

本発明により、他の流れや複数の旋回流が存在する場合でも、各節点(座標点)における速度ベクトルを用いて、旋回流を的確に同定できる。旋回流の存在の有無や、旋回軸(渦軸)を有している旋回流の有無を的確に判定できる。   According to the present invention, even when other flows or a plurality of swirling flows are present, the swirling flow can be accurately identified using the velocity vector at each node (coordinate point). The presence or absence of a swirling flow and the presence or absence of a swirling flow having a swirling axis (vortex axis) can be accurately determined.

以下、本発明の旋回流評価装置及び旋回流の評価方法の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。まず、本発明の旋回流評価装置の実施の形態の構成について説明する。   Hereinafter, embodiments of a swirl flow evaluation device and a swirl flow evaluation method of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. First, the configuration of the embodiment of the swirling flow evaluation device of the present invention will be described.

図3は、本発明の旋回流評価装置の実施の形態の構成を示すブロック図である。旋回流評価装置1は、ワークステーションやパーソナルコンピュータに例示される情報処理装置である。旋回流評価装置1は、プログラムとしての速度データ取得部2、固有方程式計算部3、旋回軸算出部4、旋回線計算部6及び表示部7を具備する。更に、データ及びプログラムとしての速度データベース8及び結果データベース9を具備する。速度データベース8及び結果データベース9は、統合されていても良い。   FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the embodiment of the swirling flow evaluation device of the present invention. The swirl flow evaluation device 1 is an information processing device exemplified by a workstation or a personal computer. The swirl flow evaluation device 1 includes a speed data acquisition unit 2 as a program, an eigen equation calculation unit 3, a swivel axis calculation unit 4, a swirl line calculation unit 6, and a display unit 7. Furthermore, a speed database 8 and a result database 9 are provided as data and programs. The speed database 8 and the result database 9 may be integrated.

速度データ取得部2は、流体に関するデータの入力に基づいて、数値流体力学(Computational Fluid Dynamics)による数値解析を行う。そして、流体内における位置を示す複数の座標点x(3次元:x、x、x)の各々において、当該流体の速度データv(3次元ベクトル:v、v、v)を算出する。算出されたデータは、速度データベース8に格納される。固有方程式計算部3へ直接出力しても良い。 The velocity data acquisition unit 2 performs numerical analysis based on computational fluid dynamics based on input of data related to the fluid. Then, at each of a plurality of coordinate points x (three-dimensional: x 1 , x 2 , x 3 ) indicating the position in the fluid, velocity data v (three-dimensional vector: v 1 , v 2 , v 3 ) of the fluid. Is calculated. The calculated data is stored in the speed database 8. You may output directly to the eigenequation calculation part 3.

複数の座標点x(3次元:x、x、x)の各々における当該流体の速度データv(3次元ベクトル:v、v、v)は、旋回流評価装置1に通信回線(図示されず)で接続された他の記憶装置(図示されず)やネットワーク上の他の装置(図示されず)から取得しても良い。その場合、他の装置(図示されず)は、この速度データ取得部2の機能を有していても良いし、流体の流れに関わる他のシミュレーション装置(例示:船舶、風力発電機、タービン、流体機械、航空機、化学/原子力プラント用シミュレーション装置)であっても良い。 The fluid velocity data v (three-dimensional vector: v 1 , v 2 , v 3 ) at each of a plurality of coordinate points x (three-dimensional: x 1 , x 2 , x 3 ) is communicated to the swirling flow evaluation device 1. You may acquire from the other memory | storage device (not shown) connected by the circuit | line (not shown) and the other apparatus (not shown) on a network. In this case, another device (not shown) may have the function of the speed data acquisition unit 2 or other simulation devices related to the flow of fluid (example: ship, wind generator, turbine, It may be a fluid machine, an aircraft, a chemical / nuclear power plant simulation apparatus).

速度データベース8は、速度データ取得部2で算出された速度データvを座標点xに対応付けて格納している。他の記憶装置(図示されず)やネットワーク上の装置(図示されず)から取得されたデータについて、速度データvを座標点xに対応付けて格納していても良い。   The speed database 8 stores the speed data v calculated by the speed data acquisition unit 2 in association with the coordinate point x. For data acquired from another storage device (not shown) or a device on the network (not shown), the velocity data v may be stored in association with the coordinate point x.

固有方程式計算部3は、速度データ取得部2又は速度データベース8から座標点xに対応付けられた速度データvを取得する。その座標点xにおける流体の速度データvに基づいて、座標点xと速度データvとに関する固有方程式から固有値λ及び固有ベクトルξ(ξ、ξ、ξ)を計算する。座標点x及び速度データvは、3次元のデータであるから、固有値λも3個(λ、λ、λ)計算される。計算結果は旋回軸算出部4へ出力される。 The eigen equation calculation unit 3 acquires the velocity data v associated with the coordinate point x from the velocity data acquisition unit 2 or the velocity database 8. Based on the fluid velocity data v at the coordinate point x, the eigenvalue λ and the eigenvector ξ (ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 ) are calculated from the eigen equation relating to the coordinate point x and the velocity data v. Since the coordinate point x and the velocity data v are three-dimensional data, three eigenvalues λ (λ 1 , λ 2 , λ 3 ) are also calculated. The calculation result is output to the turning axis calculation unit 4.

旋回軸算出部4は、固有値λがλ±iφ(iは虚数)で表される複素数である場合、複素数λ±iφの虚数部φを旋回関数φと定義する。その旋回関数φ(x、x、x)が極大値φ0を取るときの座標点x0を算出する。その座標点x0を、その流体における旋回流の旋回軸Pの位置と定義する。 When the eigenvalue λ is a complex number represented by λ R ± iφ (i is an imaginary number), the turning axis calculation unit 4 defines the imaginary part φ of the complex number λ R ± iφ as a turning function φ. A coordinate point x0 when the turning function φ (x 1 , x 2 , x 3 ) takes a maximum value φ0 is calculated. The coordinate point x0 is defined as the position of the turning axis P of the swirling flow in the fluid.

旋回軸算出部4は、更に、旋回関数φにおける極大値φ0を算出する。その極大値φ0を旋回軸Pでの角速度と定義する。これらの固有値λ、固有ベクトルξ、旋回関数φ、極大値φ0=角速度、旋回軸Pの位置x0は、結果データベース9に格納される。   The turning axis calculation unit 4 further calculates a maximum value φ0 in the turning function φ. The maximum value φ0 is defined as the angular velocity on the turning axis P. These eigenvalue λ, eigenvector ξ, turning function φ, maximum value φ0 = angular velocity, and position x0 of the turning axis P are stored in the result database 9.

結果データベース9は、固有方程式計算部3で計算された固有値λ及び固有ベクトルξ、旋回軸算出部4で算出された旋回関数φ及び旋回軸Pの位置x0、角速度算出部5で算出された極大値φ0=角速度について、座標点x及び速度データに関連付けて格納している。   The result database 9 includes an eigenvalue λ and an eigenvector ξ calculated by the eigen equation calculation unit 3, a turning function φ calculated by the turning axis calculation unit 4, a position x 0 of the turning axis P, and a maximum value calculated by the angular velocity calculation unit 5. φ0 = angular velocity is stored in association with the coordinate point x and velocity data.


旋回線計算部6は、固有ベクトルξと旋回関数φとに基づいて、その旋回流を示す旋回線Sを計算する。計算結果は表示部7へ出力される。表示部7は、計算結果に基づいて、旋回線Sをディスプレイ上に表示する。
,
Based on the eigenvector ξ and the turning function φ, the turning line calculation unit 6 calculates a turning line S indicating the turning flow. The calculation result is output to the display unit 7. The display unit 7 displays the turning line S on the display based on the calculation result.

図4は、本発明の旋回流評価装置の実施の形態のハードウェア構成を示すブロック図である。旋回流評価装置1は、互いにバス16で接続されたCPU(central processing unit)11、第1メモリ12、第2メモリ13、入出力部14及びディスプレイ15を具備する。   FIG. 4 is a block diagram showing the hardware configuration of the embodiment of the swirling flow evaluation device of the present invention. The swirling flow evaluation device 1 includes a central processing unit (CPU) 11, a first memory 12, a second memory 13, an input / output unit 14, and a display 15 that are connected to each other via a bus 16.

上述の速度データ取得部2、固有方程式計算部3、旋回軸算出部4、旋回線計算部6、表示部7、速度データベース8及び結果データベース9は、ハードディスク(HD)に例示される第2メモリ13に格納されている。そのうち、速度データ取得部2、固有方程式計算部3、旋回軸算出部4、旋回線計算部6及び表示部7は、旋回流評価装置1の動作の際、ランダムアクセスメモリ(RAM)に例示されるメモリ12に展開され、CPU11により実行される。速度データベース8及び結果データベース9は、CPU11により適宜データ読み出し、データ書き込みされる。必要に応じて、通信ポートやキーボードに例示される入出力部14からの入力(通信回線を介した外部装置からの入力を含む)が行われる。   The speed data acquisition unit 2, the eigen equation calculation unit 3, the turning axis calculation unit 4, the turning line calculation unit 6, the display unit 7, the speed database 8, and the result database 9 are the second memory exemplified by the hard disk (HD). 13. Among them, the speed data acquisition unit 2, eigen equation calculation unit 3, swivel axis calculation unit 4, swirl line calculation unit 6, and display unit 7 are exemplified in a random access memory (RAM) during the operation of the swirl flow evaluation device 1. And is executed by the CPU 11. The speed database 8 and the result database 9 are appropriately read and written by the CPU 11. If necessary, input from the input / output unit 14 exemplified by a communication port or a keyboard (including input from an external device via a communication line) is performed.

この旋回流評価装置は、流体の流れに関わる他のシミュレーション装置の一部に含まれていても良い。旋回流の位置や角速度をより的確に把握することが出来、その流体の流れに関わるシミュレーションの精度を向上させることができる。そのようなシミュレーション装置としては、船舶、風力発電機、タービン、航空機、化学/原子力プラントが例示される。   This swirl flow evaluation device may be included in a part of another simulation device related to the fluid flow. The position and angular velocity of the swirling flow can be grasped more accurately, and the simulation accuracy related to the fluid flow can be improved. Examples of such a simulation apparatus include a ship, a wind power generator, a turbine, an aircraft, and a chemical / nuclear power plant.

次に、本発明の旋回流評価装置の実施の形態の動作(本発明の旋回流の評価方法)について説明する。図5は、本発明の旋回流評価装置の実施の形態の動作を示すフロー図である。   Next, the operation of the embodiment of the swirling flow evaluation device of the present invention (the swirling flow evaluation method of the present invention) will be described. FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the embodiment of the swirling flow evaluation device of the present invention.

(1)ステップS01:
速度データ取得部2は、所定の流体について、数値流体力学(Computational Fluid Dynamics)による数値解析を行う。数値解析により、流体内における位置を示す複数の座標点x(3次元:x、x、x)の各々において、当該流体の速度データv(3次元ベクトル:v、v、v)を算出する。算出されたデータを固有方程式計算部3へ出力する。
既に実行された数値解析の結果を他の記憶装置(図示されず)から受信して、固有方程式計算部3へ出力しても良い。
(1) Step S01:
The velocity data acquisition unit 2 performs numerical analysis by computational fluid dynamics for a predetermined fluid. By numerical analysis, at each of a plurality of coordinate points x (three-dimensional: x 1 , x 2 , x 3 ) indicating the position in the fluid, the fluid velocity data v (three-dimensional vector: v 1 , v 2 , v 3 ) 3 ) is calculated. The calculated data is output to the eigen equation calculation unit 3.
The result of numerical analysis that has already been performed may be received from another storage device (not shown) and output to the eigen equation calculation unit 3.

(2)ステップS02
固有方程式計算部3は、流体中の複数の座標点xの各々に関する流体の速度データvを取得する。その複数の座標点xの各々において、以下のような固有方程式(1)を立て、その計算を実行する。ただし、計算の実行に際し、式(2)の流体の連続条件を加えている。
(2) Step S02
The eigen equation calculation unit 3 acquires fluid velocity data v for each of a plurality of coordinate points x in the fluid. At each of the plurality of coordinate points x, the following eigen equation (1) is established and the calculation is executed. However, in the execution of the calculation, the fluid continuity condition of Equation (2) is added.

Figure 2005309999
ただし、
:速度データvの速度成分(i=1、2、3)
:座標点xの座標成分(j=1、2、3)
λ:固有値
δij:クロネッカーデルタ(Kronecker Delta、i=jのとき1、その他のとき0)
である。
Figure 2005309999
However,
v i : Speed component of speed data v (i = 1, 2, 3)
x j : Coordinate component of coordinate point x (j = 1, 2, 3)
λ: eigenvalue δ ij : Kronecker delta (Kronecker Delta, 1 when i = j, 0 otherwise)
It is.

計算の結果、以下のような解を得ることができる。

Figure 2005309999
ただし、
x=(x、x、x
∈R:定数(j=1、2、3)
λ:算出された固有値λ(j=1、2、3)
ξ(j)=(ξ(j) 、ξ(j) 、ξ(j) ):算出された固有ベクトルξ(j=1、2、3)
である。 As a result of the calculation, the following solution can be obtained.
Figure 2005309999
However,
x = (x 1 , x 2 , x 3 )
c j ∈ R: constant (j = 1, 2, 3)
λ j : calculated eigenvalue λ (j = 1, 2, 3)
ξ (j) = (ξ (j) 1 , ξ (j) 2 , ξ (j) 3 ): calculated eigenvector ξ (j = 1, 2, 3)
It is.

(3)ステップS03
式(3)において、3つの固有値λ(λ(j=1、2、3))には、(i)全て実数、及び、(ii)一つが実数で他の二つが複素数、の二つの場合がありうる。
流体中の複数の座標点xの各々について、(i)の場合、その座標点近傍の流体の関わる旋回流がないと判定する。(ii)の場合、旋回流があると判定する。
そして、複数の座標点xの全てが(i)の場合(ステップS03:No)、ステップS08へ進む。その他の場合(ステップS03:Yes)、(ii)となった座標点xについて、以下のステップ04へ進む。
(3) Step S03
In the equation (3), the three eigenvalues λ (λ j (j = 1, 2, 3)) include two values: (i) all real numbers, and (ii) one real number and the other two complex numbers. There may be cases.
For each of a plurality of coordinate points x in the fluid, in the case of (i), it is determined that there is no swirling flow involving the fluid in the vicinity of the coordinate points. In the case of (ii), it is determined that there is a swirling flow.
If all of the plurality of coordinate points x are (i) (step S03: No), the process proceeds to step S08. In other cases (step S03: Yes), the process proceeds to step 04 below for the coordinate point x that has become (ii).

(4)ステップS04
(ii)の場合、以下の固有値λは、以下のように表現される。

Figure 2005309999
ただし、
φ=φ(x、x、x
=φ(r、θ、z)(円筒座標系)
>0
i:虚数
である。 (4) Step S04
In the case of (ii), the following eigenvalue λ is expressed as follows.
Figure 2005309999
However,
φ = φ (x 1 , x 2 , x 3 )
= Φ (r, θ, z) (cylindrical coordinate system)
> 0
i: Imaginary number.

旋回軸算出部4は、複素数λ±iφの虚数部φを旋回関数φと定義する。その旋回関数φ(x、x、x)=φ(r、θ、z)(円筒座標系)が極大値φ0を取るときの座標点x0(x10、x20、x30)=φ(r、θ、z)を算出する。座標点x0の算出する方法としては、旋回関数φを微分した関数の変化から求める方法や、旋回関数φの最大値を求める方法が例示される。その座標点x0を、その流体における旋回流の旋回軸Pの位置と定義する。 The turning axis calculation unit 4 defines the imaginary part φ of the complex number λ R ± iφ as a turning function φ. The turning function φ (x 1 , x 2 , x 3 ) = φ (r, θ, z) (cylindrical coordinate system) where the coordinate point x 0 (x 10 , x 20 , x 30 ) = φ (r 0 , θ 0 , z 0 ) is calculated. Examples of the method for calculating the coordinate point x0 include a method for obtaining the change of the function obtained by differentiating the turning function φ and a method for obtaining the maximum value of the turning function φ. The coordinate point x0 is defined as the position of the turning axis P of the swirling flow in the fluid.

ここで、極大値を与える座標点が複数ある場合、複数の旋回流が存在すると判断する。そして、極大値を与える複数の座標点の各々を、複数の旋回流に対応する複数の旋回軸P1、P2…の位置と定義する。   Here, when there are a plurality of coordinate points giving the maximum value, it is determined that a plurality of swirl flows exist. Each of the plurality of coordinate points giving the maximum value is defined as the position of a plurality of swirl axes P1, P2,... Corresponding to a plurality of swirl flows.

(5)ステップS05
明確な極大値が無い場合、明確な旋回軸(渦軸)を有していない旋回流(強制的に旋回させている流れ)と判断する。ここで、明確な極大値とは、所定の基準を満たす極大値である。所定の基準としては、例えば、極大値と平均値のとの差が所定の大きさ以上であることに例示される。明確な極大値が無い場合(ステップS05:No)、ステップS08へ進む。その他の場合(ステップS05:Yes)、以下のステップ06へ進む。
(5) Step S05
When there is no clear maximum value, it is determined that the swirl flow does not have a clear swirl axis (vortex axis) (flow forcibly swung). Here, the clear maximum value is a maximum value that satisfies a predetermined standard. An example of the predetermined reference is that the difference between the maximum value and the average value is equal to or greater than a predetermined value. If there is no clear maximum value (step S05: No), the process proceeds to step S08. In other cases (step S05: Yes), the process proceeds to the following step 06.

(6)ステップS06
旋回軸算出部4は、更に、旋回関数φにおける極大値φ0を算出する。例えば、座標点x0を旋回関数φを微分した関数の変化から求めた場合、座標点X0の値を旋回関数φに代入すれば極大値φ0を算出できる。座標点x0を旋回関数φの最大値から求めた場合、その最大値が極大値φ0である。その極大値φ0を旋回軸Pでの角速度と定義する。複数の旋回軸P1、P2…がある場合には、それらについても同様に極大値を求め角速度を定義する。
これらの固有値λ、固有ベクトルξ、旋回関数φ、極大値φ0=角速度、旋回軸Pの位置x0は、結果データベース9に格納される。
(6) Step S06
The turning axis calculation unit 4 further calculates a maximum value φ0 in the turning function φ. For example, when the coordinate point x0 is obtained from a change in the function obtained by differentiating the turning function φ, the maximum value φ0 can be calculated by substituting the value of the coordinate point X0 into the turning function φ. When the coordinate point x0 is obtained from the maximum value of the turning function φ, the maximum value is the maximum value φ0. The maximum value φ0 is defined as the angular velocity on the turning axis P. In the case where there are a plurality of pivot axes P1, P2,..., The maximum value is similarly obtained and the angular velocity is defined.
These eigenvalue λ, eigenvector ξ, turning function φ, maximum value φ0 = angular velocity, and position x0 of the turning axis P are stored in the result database 9.

(7)ステップS07
旋回線計算部6は、固有ベクトルξと旋回関数φとに基づいて、その旋回流を示す旋回線Sを計算する。
固有値λ及びλが複素数(式(4))の場合、固有値λ及びλに対応する固有ベクトルξ(1)及びξ(2)もまた複素数となる。固有ベクトルξは、以下のように表現される。
(7) Step S07
Based on the eigenvector ξ and the turning function φ, the turning line calculation unit 6 calculates a turning line S indicating the turning flow.
When the eigenvalues λ 1 and λ 2 are complex numbers (equation (4)), the eigenvectors ξ (1) and ξ (2) corresponding to the eigenvalues λ 1 and λ 2 are also complex numbers. The eigenvector ξ is expressed as follows.

Figure 2005309999
ただし、
i:虚数
である。
Figure 2005309999
However,
i: Imaginary number.

式(4)と式(5)の固有値λ、及び、式(6)と式(7)の固有ベクトルξの各々を式(3)に代入すると、旋回線S(座標点xの軌跡)は以下のように計算される。複数の旋回軸P1、P2…がある場合には、それらの旋回線S1、S2…についても同様に計算される。   When the eigenvalue λ of the equations (4) and (5) and the eigenvectors ξ of the equations (6) and (7) are substituted into the equation (3), the turning line S (the locus of the coordinate point x) is It is calculated as follows. When there are a plurality of turning axes P1, P2,..., The same calculation is performed for these turning lines S1, S2,.

Figure 2005309999
ただし、c=1(j=1、2、3)
Figure 2005309999
Where c j = 1 (j = 1, 2, 3)

(8)ステップS08
表示部7は、ステップS07の計算結果に基づいて、旋回線S(S1,S2…)をディスプレイ15上に表示する。又は、ステップS03で複数の座標点xの全てが(i)の場合、旋回流が無い旨を表示する。あるいは、ステップS05で明確な旋回軸(渦軸)を有していない旋回流場合、旋回軸が無い旨を表示する。
(8) Step S08
The display unit 7 displays the turning line S (S1, S2,...) On the display 15 based on the calculation result of step S07. Alternatively, if all of the plurality of coordinate points x are (i) in step S03, it is displayed that there is no swirling flow. Alternatively, if the swirl flow does not have a clear swirl axis (vortex axis) in step S05, it is displayed that there is no swirl axis.

上記のように本発明の旋回流評価装置の実施の形態の動作が実行される。   As described above, the operation of the embodiment of the swirling flow evaluation device of the present invention is executed.

図6は、バーガーズ(Burgers)渦の速度データを本発明の旋回流評価装置で評価した結果を示すグラフである。縦軸は旋回関数φ(r、θ、z)の値、横軸はrの値を示す。グラフは、所定の旋回平面(zは固定)における所定の方向(θは固定)の場合の、旋回関数φの変化を示している。
この場合、r=r0の位置でφが極大値φ0となっている。すなわち、すなわち、r=r0の位置が旋回軸Pの位置であり、φ=φ0が旋回軸Pにおける角速度となる。すなわち、本発明では、旋回流Pの位置をr0、その角速度をφ0と定義する。この位置及び角速度は、数学的な厳密解で得られたバーガーズ(Burgers)渦の値と一致することを確認した。
FIG. 6 is a graph showing the results of evaluation of Burgers vortex velocity data by the swirl flow evaluation device of the present invention. The vertical axis represents the value of the turning function φ (r, θ, z), and the horizontal axis represents the value of r. The graph shows a change in the turning function φ in a predetermined direction (θ is fixed) in a predetermined turning plane (z is fixed).
In this case, φ is the maximum value φ0 at the position of r = r0. That is, the position of r = r0 is the position of the turning axis P, and φ = φ0 is the angular velocity on the turning axis P. That is, in the present invention, the position of the swirling flow P is defined as r0, and the angular velocity is defined as φ0. This position and angular velocity were confirmed to be consistent with the Burgers vortex value obtained with a mathematical exact solution.

この結果は、旋回関数φが存在する複数の座標点xの全てにおいて、一致することも確認された。   It was also confirmed that this result was consistent with all of the plurality of coordinate points x where the turning function φ exists.

図7は、図6を旋回軸Pの方向から見た図である。ここでは、色が濃い方が旋回関数φの大きさが大きいことを示す。中心部に極大値があり、そこが図6におけるr=r0の旋回軸Pの位置である。すなわち、旋回関数φの値の分布を求めることで、視覚的に容易に旋回軸の位置を見出すことができる。   FIG. 7 is a view of FIG. 6 viewed from the direction of the turning axis P. FIG. Here, the darker the color, the larger the turning function φ. There is a maximum value at the center, which is the position of the turning axis P at r = r0 in FIG. That is, by obtaining the distribution of the value of the turning function φ, the position of the turning axis can be easily found visually.

図8は、バーガーズ(Burgers)渦の速度データを本発明の旋回流評価装置で評価した他の結果を示すグラフである。三つの軸は、それぞれ固有ベクトルξ(1)、ξ(2)及びξ(3)である。グラフは、旋回線S(座標点xの軌跡)を示している。この軌跡は、従来知られた他の方法で得られたバーガーズ(Burgers)渦の値と一致している。 FIG. 8 is a graph showing another result of evaluating the Burgers vortex velocity data with the swirl flow evaluation device of the present invention. The three axes are the eigenvectors ξ (1) , ξ (2) and ξ (3) , respectively. The graph shows the turning line S (the locus of the coordinate point x). This trajectory coincides with the value of Burgers vortex obtained by other methods known in the art.

本発明では、渦のモデルとして流体力学上よく知られているバーガーズ渦において、上記のように本発明の有用性を証明できた。すなわち、固有値が旋回軸のみで複素数となるのではなく、旋回軸の周辺で複素数となっていることを理論的に証明し、固有値の複素数の虚数部が旋回軸で極大値となることを示した。この虚数部を旋回関数と定義し、角速度の物理量であることを示した。   In the present invention, the usefulness of the present invention has been proved as described above in the Burgers vortex, which is well known in hydrodynamics as a vortex model. In other words, it is theoretically proved that the eigenvalue is not a complex number only on the swivel axis, but is a complex number around the swivel axis, and the imaginary part of the complex number of the eigenvalue becomes the maximum value on the swivel axis. It was. This imaginary part is defined as a turning function, which indicates that it is a physical quantity of angular velocity.

本発明は、他のバーガーズ渦だけでなく他の一般的な流れに対しても適用できる。その一例を示したのが図9である。
図9は、図2で示した所定の旋回平面における旋回流と一様流れとが合わさった状態にある流体の流れの一例を、本発明の旋回流評価装置で評価した結果を示す図である。この図は、図1の旋回流に、図における左から右への横方向の一様流れが加わっている場合における、複数の節点(座標点)の各々での速度ベクトルを示している。そして、それらに加えて、図1に示す旋回流における旋回軸P0の位置及び旋回線Sが示されている。この旋回軸P0の位置及び旋回線Sは、従来知られた他の方法で得られた場合と一致している。
The present invention is applicable not only to other Burgers vortices but also to other general flows. An example is shown in FIG.
FIG. 9 is a diagram illustrating a result of evaluating an example of a fluid flow in a state where the swirl flow and the uniform flow in the predetermined swirl plane illustrated in FIG. 2 are combined by the swirl flow evaluation device of the present invention. . This figure shows velocity vectors at each of a plurality of nodes (coordinate points) when a uniform horizontal flow from left to right in the figure is added to the swirling flow of FIG. In addition to these, the position of the turning axis P0 and the turning line S in the turning flow shown in FIG. 1 are shown. The position of the turning axis P0 and the turning line S coincide with those obtained by other conventionally known methods.

このように、本発明の旋回流評価装置は、旋回関数φの極大値から旋回軸Pを定める方法により、旋回流の他に一様流れが存在する(旋回軸Pでも速度が0でない)場合でも、正しく旋回軸P0の位置を同定し、その旋回線Sを算出することができる。そして、その存在を視覚的に明示することができる。   As described above, the swirling flow evaluation device according to the present invention has a method in which the swirling axis P is determined from the maximum value of the swirling function φ, and there is a uniform flow in addition to the swirling flow (the speed is not zero even with the swirling axis P). However, the position of the turning axis P0 can be correctly identified and the turning line S can be calculated. And the existence can be clearly indicated.

本発明により、明確な旋回軸(渦軸)を有している旋回流とそうでない旋回流(強制的に旋回させている流れ)との区別を図ることが出来る。明確な旋回軸を有している場合、旋回関数は旋回軸を中心に山なりの凸分布となるが、強制的な旋回流れでは旋回軸で旋回関数が極大とならない。   According to the present invention, it is possible to distinguish between a swirling flow having a clear swirling axis (vortex axis) and a swirling flow that does not (clearly swirling flow). In the case of having a clear swivel axis, the swivel function has a convex distribution with peaks around the swivel axis, but in a forced swirl flow, the swivel function does not become maximal on the swivel axis.

本発明により、各節点(座標点)における速度ベクトルを用いて、他の流れや複数の旋回流が存在する場合でも、比較的簡単な計算方法で旋回流を的確に算出可能となる。   According to the present invention, it is possible to accurately calculate a swirl flow using a relatively simple calculation method, even when other flows or a plurality of swirl flows exist, using velocity vectors at each node (coordinate points).

本発明の旋回流評価装置及び旋回流の評価方法を、船舶、風力発電機、タービン、流体機械、航空機、プラント等における流体の流れに関わるシミュレーションに組み込んで利用することも可能である。その場合、旋回流の位置や角速度をより的確に把握することが出来、シミュレーションの精度を向上させることができる。   The swirling flow evaluation apparatus and swirling flow evaluation method of the present invention can be used by being incorporated in a simulation related to fluid flow in a ship, a wind power generator, a turbine, a fluid machine, an aircraft, a plant, or the like. In that case, the position and angular velocity of the swirling flow can be grasped more accurately, and the simulation accuracy can be improved.

図1は、旋回流のみの状態にある流体の流れの一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a fluid flow in a state of only a swirl flow. 図2は、旋回流と一様流れとが合わさった状態にある流体の流れの一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a fluid flow in a state where the swirl flow and the uniform flow are combined. 図3は、本発明の旋回流評価装置の実施の形態の構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the embodiment of the swirling flow evaluation device of the present invention. 図4は、本発明の旋回流評価装置の実施の形態のハードウェア構成を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing the hardware configuration of the embodiment of the swirling flow evaluation device of the present invention. 図5は、本発明の旋回流評価装置の実施の形態の動作を示すフロー図である。FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the embodiment of the swirling flow evaluation device of the present invention. 図6は、バーガーズ渦の速度データを本発明の旋回流評価装置で評価した結果を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the results of evaluating Burgers vortex velocity data with the swirl flow evaluation device of the present invention. 図7は、図6を旋回軸Pの方向から見た図である。FIG. 7 is a view of FIG. 6 viewed from the direction of the turning axis P. FIG. 図8は、バーガーズ渦の速度データを本発明の旋回流評価装置で評価した他の結果を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing another result of evaluating Burgers vortex velocity data by the swirl flow evaluation device of the present invention. 図9は、図2で示した旋回流と一様流れとが合わさった流体の流れの一例を、本発明の旋回流評価装置で評価した結果を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a result of evaluating an example of the fluid flow in which the swirl flow and the uniform flow shown in FIG. 2 are combined by the swirl flow evaluation device of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 旋回流評価装置
2 速度データ取得部
3 固有方程式計算部
4 旋回軸算出部
6 旋回線計算部
7 表示部
8 速度データベース
9 結果データベース
11 CPU
12 第1メモリ
13 第2メモリ
14 入出力部
15 ディスプレイ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Swirling flow evaluation apparatus 2 Speed data acquisition part 3 Eigen equation calculation part 4 Turning axis calculation part 6 Turning line calculation part 7 Display part 8 Speed database 9 Result database 11 CPU
12 First memory 13 Second memory 14 Input / output unit 15 Display

Claims (16)

座標点における流体の速度データに基づいて、前記座標点と前記速度データとに関する固有方程式から固有値を計算する固有方程式計算部と、
前記固有値が複素数である場合、前記複素数の虚数部を旋回関数として、前記旋回関数における極大値を与える座標点を算出し、前記極大値を与える座標点を前記流体における旋回流の旋回軸の位置とする旋回軸算出部と
を具備する
旋回流評価装置。
Based on fluid velocity data at the coordinate point, an eigen equation calculation unit that calculates an eigen value from an eigen equation relating to the coordinate point and the velocity data;
When the eigenvalue is a complex number, using the imaginary part of the complex number as a turning function, a coordinate point that gives a maximum value in the turning function is calculated, and the coordinate point that gives the maximum value is the position of the turning axis of the swirling flow in the fluid A swirl flow evaluation device comprising: a swirl axis calculation unit.
請求項1に記載の旋回流評価装置において、
前記旋回軸算出部は、更に、前記旋回関数における前記極大値を算出し、前記極大値を前記旋回軸での角速度とする
旋回流評価装置。
The swirl flow evaluation device according to claim 1,
The swirl axis calculation unit further calculates the maximum value in the swirl function, and sets the maximum value as an angular velocity on the swirl axis.
請求項2に記載の旋回流評価装置において、
前記固有方程式から計算される固有ベクトルと前記旋回関数とに基づいて、前記旋回流を示す旋回線を計算する旋回線計算部と
前記旋回線を表示する表示部と
を更に具備する
旋回流評価装置。
In the swirl flow evaluation device according to claim 2,
A swirl flow evaluation device, further comprising: a swirl line calculation unit that calculates a swirl line indicating the swirl flow based on the eigenvector calculated from the eigen equation and the swirl function; and a display unit that displays the swirl line.
請求項1に記載の旋回流評価装置において、
前記旋回軸算出部は、更に、前記固有値が複素数で無い場合、前記流体には旋回流が無いと判定する
旋回流評価装置。
The swirl flow evaluation device according to claim 1,
The swirl axis calculation unit further determines that the fluid has no swirl flow when the eigenvalue is not a complex number.
請求項1に記載の旋回流評価装置において、
前記旋回軸算出部は、更に、所定の条件を満たす前記極大値が無い場合、前記流体には明確な旋回軸が無いと判定する
旋回流評価装置。
The swirl flow evaluation device according to claim 1,
The swirl axis calculation unit further determines that the fluid does not have a clear swirl axis when there is no maximum value that satisfies a predetermined condition.
流体に関するデータの入力に基づいて、流体内の位置を示す複数の座標点の各々における速度データを算出する解析装置と、
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の旋回流評価装置と
を具備する
流体シミュレーション装置。
An analysis device that calculates velocity data at each of a plurality of coordinate points indicating a position in the fluid based on input of data relating to the fluid;
A fluid simulation device comprising: the swirl flow evaluation device according to any one of claims 1 to 5.
固有方程式計算部と旋回軸算出部とを備える旋回流評価装置で実行する旋回流の評価方法であって、
(a)前記固有方程式計算部が、座標点における流体の速度データに基づいて、前記座標点と前記速度データとに関する固有方程式から固有値を計算するステップと、
(b)前記旋回軸算出部が、前記固有値が複素数である場合、前記複素数の虚数部を旋回関数として、前記旋回関数における極大値を与える座標点を計算し、前記極大値を与える座標点を前記流体における旋回流の旋回軸の位置とするステップと
を具備する
旋回流の評価方法。
A swirl flow evaluation method executed by a swirl flow evaluation device including an eigen equation calculation unit and a swirl axis calculation unit,
(A) the eigen equation calculation unit calculates an eigen value from an eigen equation relating to the coordinate point and the velocity data based on fluid velocity data at the coordinate point;
(B) When the swing axis calculation unit calculates the coordinate point that gives the maximum value in the turning function, with the imaginary part of the complex number as the turning function, when the eigenvalue is a complex number, the coordinate point that gives the maximum value is calculated A swirl flow evaluation method comprising the step of setting a swirl axis position of the swirl flow in the fluid.
請求項7に記載の旋回流の評価方法において、
(c)前記旋回軸算出部が、前記旋回関数における前記極大値を計算し、前記極大値を前記旋回軸での角速度とするステップを更に具備する
旋回流の評価方法。
In the evaluation method of the swirl flow according to claim 7,
(C) The swirl axis calculation unit further includes a step of calculating the maximum value in the swirl function, and setting the maximum value as an angular velocity on the swirl axis.
請求項7又は8に記載の旋回流の評価方法において、
(d)前記固有方程式から計算される固有ベクトルと前記旋回関数とに基づいて、前記旋回流を示す旋回線を計算するステップと、
(e)前記旋回線を表示するステップと
を更に具備する
旋回流の評価方法。
The swirling flow evaluation method according to claim 7 or 8,
(D) calculating a swirl line indicating the swirl flow based on the eigenvector calculated from the eigen equation and the swirl function;
(E) A method of evaluating swirling flow, further comprising the step of displaying the swirling line.
固有方程式計算部と旋回軸算出部とを備える旋回流評価装置に実行させるコンピュータプログラムであって、
(a)前記固有方程式計算部が、通信回線又は記憶装置から出力された座標点における流体の速度データに基づいて、前記座標点と前記速度データとに関する固有方程式から固有値を計算するステップと、
(b)前記旋回軸算出部が、前記固有値が複素数である場合、前記複素数の虚数部を旋回関数として、前記旋回関数における極大値を与える座標点を計算し、前記極大値を与える座標点を前記流体における旋回流の旋回軸の位置とするステップと
を具備する
旋回流の評価方法を前記旋回流評価装置に実行させるコンピュータプログラム。
A computer program to be executed by a swirl flow evaluation device including an eigen equation calculation unit and a swirl axis calculation unit,
(A) the eigen equation calculation unit calculates an eigen value from an eigen equation relating to the coordinate point and the velocity data based on fluid velocity data at the coordinate point output from a communication line or a storage device;
(B) When the swing axis calculation unit calculates the coordinate point that gives the maximum value in the turning function, with the imaginary part of the complex number as the turning function, when the eigenvalue is a complex number, the coordinate point that gives the maximum value is calculated A computer program that causes the swirl flow evaluation device to execute a swirl flow evaluation method.
請求項10に記載のコンピュータプログラムにおいて、
前記座標点は複数の座標点であり、
前記(a)ステップは、
(a1)前記複数の座標点の各々について、前記固有方程式計算部が、前記座標点と前記速度データに基づいて、前記座標点と前記速度データとに関する固有方程式から固有値を計算するステップを備え、
前記(b)ステップは、
(b1)前記複数の座標点の各々について、前記固有値が複素数である場合、前記旋回軸算出部が、前記複素数の虚数部を旋回関数として、前記旋回関数における極大値を与える座標点を計算するステップと、
(b2)前記極大値を与える座標点が複数ある場合、前記極大値を与える複数の座標点の各々を前記流体における旋回流の旋回軸の位置とするステップと
を備える
コンピュータプログラム。
The computer program according to claim 10.
The coordinate points are a plurality of coordinate points,
The step (a) includes:
(A1) For each of the plurality of coordinate points, the eigen equation calculation unit includes a step of calculating eigen values from eigen equations relating to the coordinate points and the velocity data based on the coordinate points and the velocity data,
The step (b)
(B1) For each of the plurality of coordinate points, when the eigenvalue is a complex number, the turning axis calculation unit calculates a coordinate point that gives a maximum value in the turning function by using the imaginary part of the complex number as a turning function. Steps,
(B2) When there are a plurality of coordinate points giving the maximum value, each of the plurality of coordinate points giving the maximum value is set as the position of the swirling axis of the swirling flow in the fluid.
請求項10又は11に記載のコンピュータプログラムにおいて、
(c)前記旋回軸算出部が、前記旋回関数における前記極大値を計算し、前記極大値を前記旋回軸での角速度とするステップを更に具備する
コンピュータプログラム。
The computer program according to claim 10 or 11,
(C) The computer program further comprising a step in which the turning axis calculation unit calculates the maximum value in the turning function and sets the maximum value as an angular velocity on the turning axis.
請求項12に記載のコンピュータプログラムにおいて、
(d)前記固有方程式から計算される固有ベクトルと前記旋回関数とに基づいて、前記旋回流を示す旋回線を計算するステップと、
(e)前記旋回線を表示するステップと
を更に具備する
コンピュータプログラム。
The computer program according to claim 12, wherein
(D) calculating a swirl line indicating the swirl flow based on the eigenvector calculated from the eigen equation and the swirl function;
(E) A computer program further comprising the step of displaying the turning line.
請求項10に記載のコンピュータプログラムにおいて、
前記(b)ステップは、
(b3)前記旋回軸算出部が、前記固有値が複素数で無い場合、前記流体には旋回流が無いと判定するステップを備える
コンピュータプログラム。
The computer program according to claim 10.
The step (b)
(B3) A computer program comprising a step of determining that the fluid does not have a swirl flow when the eigenvalue is not a complex number.
請求項10に記載のコンピュータプログラムにおいて、
前記(b)ステップにおいて、
(b4)前記旋回軸算出部が、所定の条件を満たす前記極大値が無い場合、前記流体には明確な旋回軸が無いと判定するステップを備える
コンピュータプログラム。
The computer program according to claim 10.
In the step (b),
(B4) A computer program comprising a step of determining that the fluid does not have a clear swing axis when the swing axis calculation unit does not have the maximum value that satisfies a predetermined condition.
解析装置と旋回流評価装置とを備えるシミュレーション装置に実行させるコンピュータプログラムであって、
(f)前記解析装置が、流体に関するデータの入力に基づいて、流体内の位置を示す座標点における速度データを算出するステップと、
(g)前記旋回流評価装置が、請求項10乃至15のいずれか一項に記載のコンピュータプログラムを実行するステップと
を具備する
流体シミュレーション方法を前記シミュレーション装置に実行させるコンピュータプログラム。
A computer program to be executed by a simulation device including an analysis device and a swirl flow evaluation device,
(F) the analysis device calculating velocity data at a coordinate point indicating a position in the fluid based on an input of data relating to the fluid;
(G) The swirl flow evaluation device includes a step of executing the computer program according to any one of claims 10 to 15. A computer program that causes the simulation device to execute a fluid simulation method.
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